Виды изнашивания деталей: Механизмы и виды изнашивания при описании в экспертизе

Механизмы и виды изнашивания при описании в экспертизе

     Конструкция автомобиля содержит достаточно большое количество пар трения, в которых одни детали совершают движение относительно других. Взаимодействующие поверхности данных деталей называются трущимися поверхностями. При работе данных поверхностей происходит их изнашивание, котороепроявляется в постепенном изменении размеров детали и (или) ее формы. За счет износа фактические размеры, форма детали и шероховатости поверхности изменяются. И при определенной степени изменения деталь уже перестает соответствовать требованиям документации и наступает ее неработоспособное состояние.

В ходе проведения судебных экспертиз в заключении очень часто отражается описательный характер износа. В качестве примера рассмотрим тормозную колодку. Накладка колодки и тормозной диск образуют пару трения. В результате трения накладка колодки изнашивается – снижается ее толщина. Процедура проверки фактического значения толщины накладки предусмотрена эксплуатационной документацией, где также указана минимально допустимая толщина. Если минимальная толщина достигнута – колодка подлежит замене на новую. Аналогичным образом процесс изнашивания протекает и для других поверхностей трения в конструкции автомобиля.

Общепринято выделять следующие виды изнашивания: абразивное, фреттинг, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное выкрашивание, кавитационное, коррозионно-механическое.

Абразивное, сущность которого заключается в разрушения материала поверхности трения твердыми абразивными частицами. На рис. 1 показаны трущиеся тела – 1 и 2, между которыми находятся твердые абразивные частицы 3. При работе одно тело воздействует на другое определенной силой – тела прижимаются друг к другу. Находящиеся между поверхностями тел твердые абразивные частицы внедряются (вдавливаются) в каждое из тел на некоторую глубину. При последующем движении одного тела относительно другого внедрившиеся частицы будут  вырывать с поверхности тела материал.

Вырванный материал (продукты износа) при этом будут становится твердыми абразивными частицами.

 Рисунок 1. Абразивное изнашивание в экспертизе

Рассмотрим частный случай абразивного изнашивания, схема которого показана на рис. 1б. Твердость тела 1 ниже твердости тела 2. При этом твердые абразивные частицы внедряются в поверхность тела 1 на значительно большую глубину. Данное явление получило название шаржирование. Глубина внедрения в поверхность тела 2 значительно меньше. При последующем движении одного тела относительно другого будет наблюдаться изнашивание только поверхности тела 2, так как в теле 1 частицы надежно удерживаются  за счет большой глубины внедрения – частицы движутся совместно с телом 1. Подобное явление часто используется, например, при полировке. Когда полировочный диск из относительно мягкого материала надежно удерживает твердые частицы, срезающие материал с поверхности металлических деталей, лакокрасочного покрытия или даже стекла.

Аналогичным образом появляются задиры на поверхностях шеек коленчатого и распределительного (фото 1) валов. Данные поверхности имеют очень высокую твердость, полученную путем азотирования, либо закалки. Поэтому такое большое внимание уделяется чистоте системы смазки ДВС и моторного масла в части содержания твердых абразивных частиц.

Фото 1. Задиры на поверхности шейки распределительного вала в экспертизе

Абразивное изнашивание имеет место быть при работе всех пар трения, где наблюдается непосредственное взаимодействие поверхностей. Абразивное изнашивание будет происходить не только за счет твердых частиц, поступивших в зону взаимодействия из внешней среды, но и за счет частиц, являющихся продуктами износа. Казалось бы – если в паре трения нет твердых абразивных частиц, то и нет первоначальных условий для абразивного изнашивания. Однако в реальности дело обстоит несколько иначе. Рассмотрим взаимодействие поверхностей на микроуровне. На рис. 2 эскизно показан контакт реальных тел под значительным увеличением (на микроуровне).

Рисунок 2. Фрикционное взаимодействие тел на микроуровне в экспертизе

Поверхности реальных деталей не являются абсолютно ровными и гладкими – в любом случае будут иметь место отклонения формы, также будут присутствовать шероховатости. И чем больше увеличение, под которым рассматривается поверхности, тем более заметным будет отклонение. Как видно из рис. 2, при контактировании деталей вследствие волнистости их поверхностей контур контакта будет возникать преимущественно на вершинах неровностей (волн). Каждая такая область будет ограничена контуром ΔA_c, который носит название контурной площади контакта. Эти контуры удалены один от другого на расстояние шага волны L. Общая контурная площадь будет А_c=ΣΔА_c. Внутри контурной площади находятся

фактические пятна контакта ΔA_r. Площадь, определяемая исходя из размеров макрогеометрии поверхностей трения (для рис. 2а – линейных размеров a и b),  носит название номинальной площади контакта ΔA_a, данная площадь фигурирует в качестве основного геометрического параметра пары трения при производимых инженерных расчетах.

С точки зрения работы пары трения наибольший интерес представляет фактическая площадь контакта A_r=ΣΔA_r – это площадь, на которой осуществляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость поверхности. Именно в пределах данной площади имеет место быть фактическое взаимодействие поверхностей деталей. ФПК обычно мала и занимает не более 1…10% номинальной площади А_а.

Площадь фактического контакта А_r имеет очень важное значение во всех физических и химических процессах, которые могут протекать на границе раздела деталей машин. Трение и износ, электро- и теплопроводимость контактов, жесткость стыков, контактная химическая коррозия и прочность прессовых соединений – все эти явления в решающей мере зависят от площади фактического контакта твердых тел.

Помимо геометрических параметров зоны взаимодействия трущихся поверхностей необходимо также рассмотреть строение поверхностей трения, которое показано на рис. 2б. Внешней средой для большинства деталей, эксплуатирующихся в атмосфере Земли, является воздух. В воздухе содержится свободный кислород, которым мы дышим и который необходим для работы ДВС. Кислород взаимодействует с поверхностями деталей, в результате чего на них образуются слои оксидов, условно показанные на рис. 2б. Именно через оксидные пленки осуществляется непосредственный контакт поверхностей в зонах фактического контакта. Оксиды в большинстве своем являются твердыми и хрупкими. При взаимодействии трущихся поверхностей происходит скалывание оксидов с поверхности. И эти отколовшиеся фрагменты уже представляют собой твердые абразивные частицы. Почему алюминиевые сплавы характеризуются очень низкой износостойкостью? Потому что при малой твердости самих алюминиевых сплавов оксид алюминия имеет очень высокую твердость и прекрасно «грызет» основной металл.

Одним из основных способов снижения интенсивности абразивного изнашивания является применение смазочных материалов. В состав смазочного материала входят поверхностно-активные вещества, которые откладываются на поверхностях деталей (поверх пленки оксидов). За счет этого значительно снижаются контактные давления в зонах фактического контакта (рис. 2), снижается свободная поверхностная энергия. В итоге снижается коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Гидро- и газоабразивное изнашиваниеобразуется в результате механического воздействия на поверхность твердых частиц, перемещаемых потоком жидкости или газа. Схема гидроабразивного (и газоабразивного) воздействия показана на рис. 3.

Рисунок 3. Схема гидроабразивного воздействия в экспертизе

Твердая абразивная частица 1, которая движется совместно с потоком жидкости или газа (на рис. 3 условно не показаны), ударяется о поверхность тела 2. В момент взаимодействия частицы с поверхностью будет наблюдаться изнашивание. При этом будет происходить вырывание частицей материала с поверхности при ее внедрении и последующем перемещении (только в отличие от абразивного изнашивания внедрение и перемещение частицы будет происходить за счет кинетической энергии первоначального движения частицы). Также при гидроабразивном изнашивании будет наблюдаться усталостное выкрашивание поверхности.

Усталостное выкрашивание происходит в результате накопления в поверхностном слое детали повреждений, приводящих к разрушению поверхностного слоя. Для понимания механизма усталостного изнашивания необходимо разобраться в природе

усталостного разрушения. Усталостное разрушение характерно для поверхностей, которые нагружаются многократно (например, циклически). На рис. 4 показана диаграмма Веллера, которая показывает зависимость максимального напряжения за цикл от количества циклов,  которое может выдержать материал без разрушения. Для стали имеется такое значение напряжений, которое она способна выдерживать бесконечно долго не разрушаясь – кривая красного цвета после 10⁷ циклов нагружения идет практически горизонтально.

Рисунок 4. Диаграмма Веллера в экспертизе

Трущиеся поверхности при воздействии друг на друга, либо твердые абразивные частицы (рис. 1) вызывают в материале поверхностного слоя сжимающие напряжения. Если величина действующих напряжений  и количество циклов нагружения будут находится выше, чем кривая Веллера для соответствующего материала, то произойдет разрушение. Наибольшие напряжения при трении, либо гидроабразивном (газоабразивном) воздействии будут наблюдаться на некоторой глубине под поверхностью детали. Соответственно, разрушение будет представлять собой выкрашивание участка поверхности, под которым произошло усталостное разрушение материала. На фото 2 показана поверхность, поврежденная усталосным выкрашиванием.

Фото 2. Выкрашивание металла на поверхности качения кольца подшипника в экспертизе

Кавитационное разрушение наблюдается в ряде случаев на поверхностях деталей, контактирующих с подвижной жидкой средой. Для движущегося потока жидкости закон сохранения энергии может быть записан в виде уравнения Бернулли:

Сущность данного уравнения в следующем: сумма кинетической (зависящей от скорости движения) энергии движения жидкости () и потенциальной (зависящей от давления) энергии () всегда постоянна. Течение жидкости далеко не всегда равномерное. На рис. 5 условно показано ламинарное (а) и турбулентное течение жидкости в трубе. При ламинарном течении потоки жидкости движутся прямолинейно (для прямого участка трубы) с постоянной скоростью и не смешиваются. Скорость потоков в центре несколько ниже, чем у потоков по краям за счет внутреннего трения жидкости. При турбулентном течении направление и скорость потоков имеют достаточно хаотичный порядок, происходит активное перемешивание жидкости. В качестве турбулизаторов выступают различного рода местные сопротивления, например, указанные у стенки трубы на рис. 5 шероховатости.

Рисунок 5. Ламинарное (а) и турбулентное (б) течение жидкости при анализе в экспертизе

При турбулентном течении скорости потока жидкости в отдельных зонах могут быть достаточно высокими. И, в соответствии с рассмотренным ранее уравнением Беррнулли, в данных зонах будет наблюдаться снижение общего давления жидкости. Жидкости при определенных условиях кипят. Данное условие следующее – давление жидкости должно быть ниже давления насыщенных паров для данной температуры. Если при турбулентном течении жидкости давление в отдельных зонах снижается настолько, что жидкость начинает «кипеть», то образуются условия, необходимые для кавитационного изнашивания расположенной рядом поверхности.

Для пояснения процесса кавитационного изнашивания на рис. 6. показана схема поведения пузырька пара. При турбулентном течении жидкости за счет локального снижения давления образовался пузырек пара. При дальнейшем движении данной зоны (с пузырьком) скорость данной зоны снижается и происходит повышение в ней давления. Условия для существования вещества в газообразном состоянии уже не соблюдаются. Пузырек схлопывается. Схлопывание происходит следующим образом – потоки жидкости со всех сторон заполняют паровую полость. И в определенный момент потоки жидкости, направленные с разных сторон сталкиваются. В результате происходит удар – локальное, но весьма заметное повышение давления жидкости. Через жидкость данный удар передается рядом лежащей поверхности детали и нагружает ее. От многократного такого воздействия происходит усталостное выкрашивание поверхности.

Рисунок 6. Схема образования и схлопывания пузырька пара в экспертизе

Отметим, что кавитационное разрушение деталей автомобиля происходит крайне редко. Имели место быть разрушения деталей системы охлаждения из-за ошибок, допущенных при проектировании отдельных ДВС. Отметим, что описанный выше принцип кавитационного разрушения положен в основу работы различных ультразвуковых устройств, предназначенных для очистки деталей ДВС при техническом обслуживании и ремонте. Единственное отличие от описанного выше – локальное снижение давления происходит не за счет локального увеличения скорости, а за счет того, что в жидкости колеблется излучатель с ультразвуковой частотой – при колебаниях излучатель увлекает за собой жидкость, что создает в ней снижение давления.

Коррозионное разрушение вызывается химическим и физико-химическим взаимодействием поверхности детали с окружающей средой. Подобного рода взаимодействие, как правило, приводит к снижению основных эксплуатационных характеристик материала. Яркий пример – «преобразование» стали в ржавчину под воздействием воды и кислорода. С точки зрения работы пар трения особы интерес представляет корозионно-механическое разрушение, сущность которого в увеличении интенсивности изнашивания различных видов (абразивное, гидроабразивное, кавитационное и пр.) материала ослабленного в результате коррозии. Проиллюстрировать это можно следующим образом – сталь подвергается обработке только достаточно прочным и твердым инструментом, а ржавчина (продукт коррозионного разрушения стали) может быть разрушена даже ногтем.

Водородное изнашивание. Сущность водородного изнашивания следующая – если у поверхности детали присутствует ион водорода, то за счет малых размеров данный ион проникает вглубь материала. Как известно, сталь представляет собой сплав железа и углерода. Водород обладает большим сродством к углероду, чем сталь. Соответственно, водород «отнимает» у железа атом углерода и образует с ним молекулу метана (CH₄). Данная молекула имеет сравнительно большие размеры и после своего образования начинает локально растягивать материал – то есть создает в нем напряжения. Также разрушению способствует то, что растягиваться металл начинает в обезуглероженной зоне (за счет чего прочность материала снижена). То есть водородный износ нельзя назвать износом в полной мере – это явление приводит лишь к интенсивности изнашивания других видов после того, как материал был разупрочнен из-за воздействия водорода.

В объеме данной статьи, надеемся, у Вас получится объективно понимать суждения по заключению экспертов. Возможно, данная информация будет интересно любому специалисту из области диагностики автомобильного транспорта. Эксперт, бесспорно, должен обладать данными знаниями, и использовать их в ходе исследования.

 Специалист                                                               Александр

Виды изнашивания | Теория

Изнашивание деталей сопровождается сложными физико-химическими явлениями. Скорость изнашивания зависит от материала и качества трущихся поверхностей, характера контакта и скорости их взаимного перемещения, вида и значения нагрузки, вида трения и смазки, качества смазочного материала и от многих других факторов. В соответствии с ГОСТ 27674-88 установлены следующие виды изнашивания в машинах.

Механическое изнашивание — это изнашивание в результате механических воздействий. Этот вид изнашивания подразделяется на абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитационное, усталостное, при заедании и при фреттинге.

Абразивное изнашивание — это процесс микропластических деформаций и резания металла твердыми абразивными частицами, находящимися между поверхностями трения, а также в результате непосредственного контактирования с абразивной средой (рабочие органы сельскохозяйственных, мелиоративных и строитель-ных машин, детали ходовой части гусеничных машин и др.).

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — результат действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно поверхности детали. Этот вид изнашивания характерен для деталей водяных и масляных насосов, гидроусилителей, гидроприводов тормозных систем и др.

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — это эрозионное изнашивание в результате действия (трения) потока жидкости (газа) о металл. Этому виду изнашивания подвергаются детали системы охлаждения, системы вентиляции и т. п.

Усталостное изнашивание — механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Под действием больших удельных повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, появляются микротрещины, которые развиваются и приводят к усталостному отслаиванию и выкрашиванию частиц металла. Усталостное изнашивание проявляется на поверхностях подшипников качения, зубьев шестерен и т. п.).

Кавитационное изнашивание — механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое удельное давление или температуру, под действием которых происходит разрушение поверхности. Этому виду изнашивания подвержены наружные поверхности гильз цилиндров, стенки рубашки охлаждения, лопасти водяных насосов и т. п.

Изнашивание при заедании — результат схватывания микронеровностей сопрягаемых поверхностей, глубинного вырывания материала и его переноса с одной поверхности на другую. Особенно подвержены этому изнашиванию тяжел она груже нн ые детали (шейки коленчатых и распределительных валов, поршни и т. п.).

Изнашивание при фреттинге возникает в соприкасающихся поверхностях при малых колебательных относительных перемещениях. Этому виду изнашивания подвержены кольца шарико- и роликоподшипников, поверхности деталей при ослаблении резьбовых соединений и т. п.

Изнашивание при действии электрического тока называют электроэрозионным. Оно происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока (электроды свечи, контакты прерывателя — распределителя, клеммы электроприборов и т. п.).

Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Это изнашивание подразделяется на окислительное и изнашивание при фретгинг-коррозии.

Окислительное изнашивание характеризуется тем, что основное влияние иа изнашивание имеет химическая реакция металла с кислородом или окислительной средой. Проявляется этот вид изнашивания у деталей подвижных сопряжений, на поверхности которых образуется твердая пленка окислов. При трении происходит выкрашивание пластически недеформируемых хрупких окислов.

Изнашивание при фретпитг-коррозии возникает при трении скольжения с очень малыми колебательными относительными перемещениями. При ударах и вибрации происходит интенсив- вое окисление соприкасающихся поверхностей вследствие резкой активации шгастически деформируемого металла. В результате на рабочих поверхностях в местах контакта появляется резко выраженное разрушение.

Изнашиванию при фретгинг-коррозии подвергаются посадочные поверхности подшипников качения, болтовые и заклепочные соединения рам и другие детали.

Виды износа деталей оборудования

Срок службы промышленного оборудования зависит от износа его деталей — изменения размеров, формы, состояния поверхностей вследствие изнашивания.  

       Скорость износа деталей оборудования зависит от разных причин:

• условий и режима работы;
• материала деталей;
• смазки поверхностей трения;
• усилия и скорости скольжения;
• температуры в зоне контакта деталей;
• состояния окружающей среды (запыленность и др.).

Различают нормальный (естественный) износ, который возникает при правильной, но длительной эксплуатации механизмов (в течении заданного ресурса работы) и аварийный (прогрессирующий) износ, наступающий в течение короткого промежутка времени и приводящий к невозможности эксплуатации оборудования.

Виды механического изнашивания:

1. абразивное изнашивание;
2. гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание;
3. гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание;
4. кавитационное изнашивание;
5. усталостное изнашивание;
6. изнашивание при фреттинге;
7. изнашивание при заедании.

Наиболее разрушительным является абразивное изнашивание, возникающее при трении поверхностей загрязненных мелкими абразивными и металлическими частицами. Такие частицы длительное время сохраняют свои режущие свойства, образуют на поверхностях деталей царапины, задиры, и смешиваясь с жидкостью, выполняют роль абразивной пасты, в результате действия которой происходит интенсивное притирание и изнашивание сопрягаемых поверхностей.

Виды коррозионно-механического изнашивания:

1. окислительное изнашивание;
2. изнашивание при фреттинг-коррозии.

      Виды изнашивания при действии электрического тока:

       1. электроэрозионное изнашивание.

       Виды и характеристики изнашивания

Вид износа	Характеристика
Механическое изнашивание	Изнашивание в результате механических воздействий
Коррозионно-механическое изнашивание	Изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой
Абразивное изнашивание	Механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц
Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание	Изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа)
Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание	Абразивное изнашивание в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа)
Усталостное изнашивание	Механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Примечание. Усталостное изнашива­ние может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения
Кавитационное изнашивание	Механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру
Изнашивание при заедании	Изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность
Окислительное изнашивание	Коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой
Изнашивание при фреттинге	Механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении
Изнашивание при фреттинг-коррозии	Коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях
Электроэрозионное изна­шивание	Эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока

     При изнашивании увеличиваются зазоры в подшипниках, направляющих, зубчатых зацеплениях и т.д. Это приводит к снижению качественных характеристик машин и механизмов: мощности, КПД, надежности, точности и т.д.

     Уменьшение изнашивания достигается:

• смазкой трущихся поверхностей и защитой от загрязнения;
• применением антифрикционных материалов;
• химико-термической обработки поверхностей и т.д.

Для стабильной и безаварийной работы оборудования требуется своевременная замена изношенных деталей.

По чертежам или образцам изношенных деталей изготовим новые — качественные, с гарантией.

2.Изнашивание и его виды

Изнашивание — это процесс разрушения и отделения материала с поверхностей деталей и (или) накопление остаточных деформаций при их трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы взаимодействующих деталей.

Износ — это результат процесса изнашивания деталей, выражающийся в изменении их размера, формы, объема и массы.

Различают сухое и жидкостное трение.

При сухом трении трущиеся поверхности деталей взаимодействуют непосредственно друг с другом (например, трение тормозных колодок о тормозные барабаны или диски, или трение ведомого диска сцепления о маховик). Данный вид трения сопровождается повышенным износом трущихся поверхностей деталей. При жидкостном (или гидродинамическом) трении между трущимися поверхностями деталей создается масляный слой, превышающий микронеровности их поверхностей и не допускающий их непосредственного контакта (например, подшипники коленчатого вала в период установившегося режима работы), что резко сокращает износ деталей. Практически при работе большинства механизмов автомобиля вышеуказанные основные виды трения постоянно чередуются и переходят друг в друга, образуя промежуточные виды.

Выделяют три группы изнашивания:

• механическое,

• коррозионно-механическое

• изнашивание в результате действия электрического тока.

Каждая из групп изнашивания делится на виды.

Абразивное изнашивание возникает при трении скольжения и наличии между трущимися поверхностями мелкораздробленной твердой среды (например, песка), вызывающей выкрашивание частиц, металла из поверхности деталей. При этом процесс изнашивания не зависит от попадания абразивных частиц на поверхности трения.

Необходимо отметить, что размеры абразивных частиц с увеличением длительности работы их в масле уменьшаются, поэтому их агрессивность постепенно снижается до нуля.

Изменение размеров деталей при абразивном изнашивании за­висит от ряда факторов:

• материала деталей;

• механических свойств деталей;

• режущих свойств абразивных частиц;

• удельного давления при трении;

• скорости скольжения при трении.

Примером может служить изнашивание цилиндропоршневой группы двигателя в результате попадания в цилиндры с воздухом пыли, зубьев шестерен и подшипников агрегатов трансмиссии, открытых сопряжений деталей ходовой части. По результатам исследований абразивный износ деталей агрегатов трансмиссии автомобилей составляет от 2 до 11 мкм на 1000 км пробега.

Абразивный износ вала

Гидроабразивное изнашивание возникает в результате действия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости. Гидроаб­разивное изнашивание деталей топливных, масляных и водяных насосов, гидроприводов тормозов, гидроусилителей нередко прояв­ляется совместно с эрозионным изнашиванием, возникающим в результате действия потока жидкости (газа). Трение потока жид­кости о металл приводит к разрушению оксидной пленки, образу­ющейся на поверхности детали, и сопутствует коррозионному разру­шению материала, особенно под действием абразивных частиц и микроударов в случае возникновения кавитации.

Кавитационное изнашивание — это гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, когда пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры.

Кавитационный износ из-за смеси сернистой солярки с тосолом (образуется серная кислота).

Газоабразивное изнашивание происходит в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых потоком газа и перемещающихся относительно изнашивающейся поверхности.

Усталостное изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц, происходит при качении и скольжении. Износ обусловливается микропластическими деформациями и упрочнением поверх­ностных слоев трущихся деталей. При этом имеют место напряженное состояние активных объемов металла у поверхности трения и особые явления усталости при знакопеременных нагрузках, вызывающих трение металла в поверхностных слоях и как следствие их разрушение. Пульсирующие нагрузки резко усиливают темпы осповидного износа.

Разрушение при таком износе характеризуется появлением микро- и макротрещин, расположенных под небольшими углами к поверхности трения, с последующим развитием их в осповидные углубления и впадины. В результате износа частицы поверхностного слоя откалываются, поверхность становится неровной и приобретает матовый вид.

Усталостное изнашивание наиболее характерно для рабочих поверхностей подшипников качения и поверхностей зубьев шестерен.

Усталостное разрушения фланца втулки

Изнашивание при фреттинге происходит в результате механического изнашивания соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Изнашивание при заедании возникает в результате схватывания, глубокого вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Этот вид изнашивания имеет место в зубчатых зацеплениях агрегатов трансмиссии при использовании несоответствующего сорта масла или при его малом уровне.

Коррозионно-механическое изнашивание происходит при трении материалов, вступивших в химическое взаимодействие со средой. К коррозионно-механическим видам изнашивания относятся окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание возникает при наличии на повер­хностях трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом. Окислительное изнашивание характеризуется протеканием одновременно двух процессов — пластической деформации микроскопических объемов металла поверхностных слоев деталей и диффузии кислорода воздуха в деформируемые слои.

На первой стадии износа окисление происходит в небольших объемах металла, расположенных у плоскостей скольжения при трении. На второй стадии окисление захватывает большие объемы поверхностных слоев, и глубина его соответствует глубине пластической деформации.

На первой стадии износа на поверхности трущихся деталей об­разуются пленки твердых растворов кислорода, на второй — химические соединения кислорода с металлом. Процесс окислительного изнашивания происходит в тонких поверхностных слоях и условно может быть разделен на три этапа: деформирование и активизация, образование вторичных структур и их разрушение.

На первом этапе происходит особый вид пластической деформации — текстурирование и резкая активизация металла. На втором этапе благодаря наличию в зоне трения агрессивных компонентов среды происходит физико-химическое взаимодействие их с активизированным слоем — образование вторичных структур. На третьем этапе в результате многократного нагружения и внутренних напряжений в пленках вторичных структур происходит образование и развитие микротрещин, ослабление связей на поверхности раздела и отслаивание пленки.

Последующее механическое воздействие приводит к разрушению и износу пленки. На обнаженных участках процесс повторяется вновь. Окислительному износу подвергаются шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, зубчатые зацепления и другие детали, работающие при трении скольжения.

Изнашивание при фриттинг-коррозии — это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных перемещениях. В случае динамического нагружения и наличия вибрации и ударов окисление трущихся поверхностей про­исходит особенно интенсивно вследствие резкой активизации пла­стически деформируемого металла. Динамический характер нагружения приводит к резкому повышению градиента деформации и температур, к окислению и схватыванию. Фриттинг-процесс возникает при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными перемещениями в условиях динамической нагрузки.

Этот процесс можно считать пограничным между процессами химической коррозии и эрозии, поскольку интенсивность фриттинг-коррозии повышается с увеличением доступа кислорода, но умень­шается при увлажнении воздуха.

При фриттинг-коррозии наблюдается изнашивание посадочных поверхностей подшипников поворотных цапф, шестерен, болтовых и заклепочных соединений рам и других деталей.

Изнашивание при действии электрического тока (эрозионное изнашивание) поверхностей происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Изнашивание деталей машин

Подробности

Категория: Электрические машины

Изнашивание — это процесс постепенного изменения размеров и формы тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и в его остаточной деформации. В электрических машинах происходит механическое, молекулярно-механическое, коррозионно-механическое и другие виды изнашивания.
Механическое изнашивание существенно не отражается на физических и химических свойствах материала. При молекулярно-механическом изнашивании механическое воздействие сопровождается одновременным воздействием молекулярных или атомарных сил на поверхности деталей; такое изнашивание происходит, например, в подшипниках качения при высоких контактных давлениях шарика на дорожку качения кольца и сопровождается переносом материала с одной поверхности на другую. Коррозионно-механическое изнашивание вызывается трением поверхностей, вступивших в химическое взаимодействие со средой; его подразделяют на окислительное и фретинг-коррозию. Окислительное изнашивание возникает при наличии на поверхностях трения оксидных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала деталей с кислородом. Фретинг-коррозия имеет место при малых колебательных движениях; этот вид изнашивания характерен для поверхностей деталей в неподвижных соединениях, воспринимающих вибрационные нагрузки (например, поверхности колец подшипников качения, соприкасающиеся с валом и корпусом, заклепочные соединения). Фретинг-коррозия может образовываться как при сухом трении, так и при работе в условиях смазки.
Абразивное изнашивание является разновидностью механического изнашивания. Оно происходит в результате режущего и царапающего действия твердых частиц, которые находятся между трущимися поверхностями. Различают газоабразивное и гидроабразивное изнашивание; последнее возникает в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых потоком газа или жидкости.
Усталостное изнашивание — разновидность механического изнашивания. Оно является следствием многократного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению с поверхности слоев материала.
Эрозионное изнашивание происходит под воздействием потока жидкости или газа на поверхность детали. Электроэрозионное изнашивание связано с появлением искровых разрядов, при которых частицы металла переносятся с анода на катод и частично рассеиваются в окружающем пространстве. Разряды возникают при замыкании и размыкании контактов электрических приборов, а также между щеками и коллектором или контактными кольцами.
В машинах некоторые детали при сохранении геометрических размеров и формы становятся непригодными к дальнейшей работе в результате потерн упругости. Наиболее часто выходят из строя по этой причине щеточные пружины токосъемного устройства.
Надежность электрических машин в значительной степени зависит от состояния изоляции обмоток. Основной характеристикой изоляции является ее электрическая прочность, а также теплопроводность, механическая прочность и другие свойства.
Изоляция разрушается в результате нагрева, механических усилий (давление, вибрация и удары), влияния влаги, агрессивных сред и других факторов. В высоковольтных машинах существенное значение имеет воздействие на их поверхности электрического поля. Необратимые изменения структуры и химического состава изоляции под действием перечисленных факторов вызывают ее старение. Процесс ухудшения свойств изоляции в результате старения называется износом. В ряде случаев возможно повреждение изоляции, не связанное с износом: продавливание, прорезание ее острыми кромками металлических деталей, образование трещин вследствие значительных напряжений при изгибе и т. п. Такие местные дефекты часто приводят к пробою изоляции задолго до появления существенных признаков старения.
Отказы машин постоянного тока часто происходят вследствие износа коллектора и щеток. Их механическое изнашивание зависит от давления щеток на коллектор, вибрации, биения коллектора, скорости перемещения поверхности коллектора относительно щеток и т. д. При нарушении постоянства скользящего контакта в результате биения коллектора искрение щеток увеличивается, увеличивается износ и обгорание щеток и коллекторных пластин. Коррозионно-механическое изнашивание зависит от состава и влажности окружающего воздуха, наличия в среде активных газов, образования оксидной пленки (политуры) на поверхности коллектора и т. д. Пленка снижает скорость изнашивания. На износ коллектора влияет также плотность тока под щеткой, нарушение коммутации (повышенное искрение), сопротивление переходного контакта между щеткой и коллектором, марка щетки и материал, из которого изготовлены пластины коллектора.

Изнашивание деталей и способы их восстановления

Тепловоз — сложная машина с множеством взаимно перемещающихся и трущихся деталей, которые в процессе эксплуатации изнашиваются. При этом меняются рабочие характеристики, появляются ненормальные стуки, вибрации, нагрев, снижаются мощность и к. п. д., увеличивается опасность аварии или крушения.

Из всех видов повреждений, пожалуй, наиболее распространено изнашивание. В зависимости от условий работы, среды, специфики контакта взаимно трущихся деталей различают следующие виды изнашивания: абразивное (механическое), окислительное, коррозионное, молекулярно-меха-ническое, контактно-усталостное. Особыми видами изнашивания являются кавитационное и фретинг-коррозия.

Наиболее распространенный вид изнашивания, характеризующийся высокой скоростью износа сопряженных поверхностей, — абразивный; этому виду износа подвержены такие детали тепловоза, как наличники букс и челюстей рамы тележки, втулки и валики рессорного подвешивания и тормозной рычажной передачи, опорные поверхности рессорных балансиров, носиков тяговых электродвигателей, накладок пружинных поцвесок и каблучков рамы тележ»ки, а также детали цилиндропоршиевой группы дизеля и компрессора, детали авто-ецепки (при большой запыленности воздуха) н др.

Окислительное изнашивание при наличии между трущимися частями масла или другой жидкости вызывает образование на поверхностях окисной пленки, которая в процессе работы разрушается.

Скорость изнашивания при этом самая минимальная из всех видов износа Окислительное изнашивание может возникнуть в трущихся парах и при условии достаточности смазки и отсутствия абразивных частиц.

Коррозионное изнашивание характеризуется быстрым образованием окисных пленок на трущихся поверхностях вследствие попадания на них кислот и последующим разрушением этих пленок.

Чаще всего коррозионный износ возможен на поверхностях втулок и поршней дизелей при выделении кислот из газов. Под влиянием теплового и химического воздействия с течением времени на посадочных поясках клапанов и их седел также образуются коррозионные раковины.

Молекулярно-механичсское изнашивание происходит за счет микроконтактного схватывания поверхностей трущихся деталей при нарушении сплошности масляной пленки. Этому износу подвержены детали, работающие в условиях полужидкостного трения.

Контактно-усталостное изнашивание во:-иикает при трении качения или многократныч соударениях. Этот вид износа иногда называют чешуйчатым или «питингом». Оно характерно для бандажей колесных пар, зубьевзубча-тых колес, шариковых и роликовых подшипников, мест контакта втулок с блоком цилиндра при вибрации втулок и т. д. Скорость контактного износа зависит от величины контактных напряжений.

Кавитационное изнашивание обусловлено явлением образования и разрушения парогазовых пузырьков в движущейся жидкости. При разрушении пузырьков происходят микрогидравлические удары, приводящие к большим напряжениям.

Кавитациоиным повреждением с образованием сквозных свищей подвержены втулки (рубашки) цилиндров дизелей.

Фретинг-коррозия, или коррозия при трении, образуется в сопряжениях с микроскопическими вибрационными перемещениями. Фре-гииг-коррозия наиболее часто наблюдается в краевых зонах подступичных частей осей колесных пар, буксах, вкладышах коленчатых валов, в сопряжениях блока дизеля с втулками цилиндров.

В чистом виде какой-либо один из перечисленных видов износа, как правило, встречается редко. Обычно имеет место комбинация нескольких видов износа. Так, например, пара трения вкладыш моторно-осевого подшипника — ось колесной пары может иметь одновременно абразивный, окислительный и молекулярно-меха-нический износ при преобладании одного из них в зависимости от конкретных условий трения.

Интенсивность износа трущихся пар зависит от многих факторов. Решающий из них — качество материала и обработка рабочих поверхностей. Однако применение качественных материалов (легированных сталей, дорогостоящих цветных металлов и др.), юстижение высокого класса шероховатости, внедрение длительных технологических процессов поверхностного упрочнения в каждом конкретном случае должно быть оправдано экономически.

Детали, выход из строя которых влечет за собой серьезные аварии, длительный простой, большие затраты на замену и т. д., изготавливаются из легированных высокопрочных сталей.

К повышенному износу сопряженных деталей приводит недооценка такого фактора, как перекос их в процессе работы. Перекос осей совместно работающих деталей вследствие изгиба валов, зазоров в подшипниках создает условия для роста удельных нагрузок на небольшом участке рабочей поверхности деталей, что влечет за собой усиленный износ их в этом месте. Имеется также много других факторов, усугубляющих износ трущихся деталей, таких, как нарушение режима смазывания, ухудшение качества самой смазки вследствие перегрева и разжижения, чрезмерные нагрузки, климатические особые условия и т. д.

Приведем несколько примеров влияния перечисленных факторов на износ деталей тепловоза. Известно, что зубчатая передача на моторно-осевые подшипники тепловозов с опорно-осевым подвешиванием двигателя работают с перекосом, обусловленным консольной передачей тягового момента. Практика показывает, что зубья зубчатого колеса и шестерни у этих тепловозов изнашиваются неравномерно по длине. Разность толщин зубьев по обеим их концам составляет от 0,5 до 1,2 мм, причем больший износ наблюдается со стороны тягового электродвигателя. Это результат больших удельных нагрузок, создаваемых при перекосе осей зубчатого колеса и шестерни (см. рис. 209). Кроме того, интенсивность износа зубьев в значительной мере зависит от твердости их рабочих поверхностей’. Установлено, что прямозубые зубчатые колеса без поверхностной термической обработки зубьев выходят из строя по износу в 3-4 раза быстрее, чем термически обработанные.

Моторно-осевые подшипники работают в еще более сложных условиях, чем зубчатая передача. Перекос подшипников, обусловленный поворотом остова двигателя в зазорах между ними и осью, приводит к местному повышению удельных нагрузок и ухудшению условий смазывания в контакте. Это вызывает нагрев подшипников и задиры шеек оси. Кроме того, повышение удельных нагрузок ведет к интенсивному износу подшипников, а это в свою очередь увеличивает радиальный зазор и, следовательно, перекос, что еще больше усугубляет тяжелые условия работы подшипников. В этих условиях особое значение приобретает надежность подачи масла к подшипникам. К сожалению, в эксплуатации нередки случаи работы подшипников без смазки, особенно в зимних условиях, когда попавшая в масляные ванны вода смерзается с фитилем или подбивкой из пряжи, препятствуя подаче масла к трущимся поверхностям.

Контактно-усталостному износу подвержены роликовые подшипники букс, тяговых электродвигателей. Из-за неравномерного распределения нагрузок между роликами, а также по их длине контактные напряжения в роликовых подшипниках достигают 200-300 кН-см2. Высокие повторно-переменные контактные напряжения обусловливают появление на поверхностях качения роликов и дорожек усталостных микротрещин с последующим расклиниванием их попавшей туда смазкой. В связи с этим наиболее характерным повреждением является усталостное выкрашивание металла у кромок роликов и на поверхности внутреннего кольца в наиболее нагруженной зоне.

Примером сложного вида износа может служить изнашивание бандажей колесных пар. Бандажи — это наиболее часто сменяемая деталь, так как поверхность бандажа по кругу катания, непосредственно соприкасающаяся с рельсом, подвержена значительному изнашиванию. Между бандажом и рельсом возникают контактные напряжения, зависящие от геометрии контактирующих поверхностей, механических свойств бандажа и рельса и нагрузки, передаваемой от колеса на рельс. Напряжения от статической и динамической нагрузок могут превышать предел текучести материала, о чем свидетельствуют пластические деформации бандажа и рельса. Изнашивание бандажа концентрируется в зоне контакта с рельсом и у гребня. Изнашивание гребня происходит главным образом в кривых участках пути. Пробеги локомотивов между обточками бандажей составляют 200- 250 тыс. км, а в отдельных случаях (например, в условиях Северной дороги) — 85-100 тыс. км.

Механизм изнашивания обусловлен характером работы бандажей. В данном случае имеет место износ при трении качения со значительной долей трения скольжения, возникающего при боксовании колесных пар и за счет неизбежного проскальзывания колес как на кривых, так и прямых участках пути. Работа трения протекает при высоких контактных напряжениях, вызывающих пластические деформации и повышение температуры в зоне контакта. Значительное влияние на изнашивание бандажей оказывает также режим торможения. Длительное прижатие с большим усилием тормозных колодок может привести к появлению на поверхности бандажей закалочных микротрещин, переходящих в последующем в раковины.

Климатические и другие специфические условия нередко оказываются решающими факторами долговечности бандажей. Так, например, на участках угольных маршрутов в условиях повышенной влажности и низкой температуры окружающего воздуха угольная пыль, оседая на рельсы, образует своеобразную пленку, ухудшающую сцепление. На этих участках частота боксования колесных пар оказывается настолько высокой, что приводит к волнообразному износу рельсов и, естественно, к повышенному износу бандажей и других элементов колесно-моторного блока. Подаваемый на рельсы песок в данном случае только усугубляет этот износ.

Применение некачественного песка (с большим содержанием глинистых веществ) также может ухудшить условия сцепления колес с рельсами (особенно при низких температурах — ниже -25-30 °С), что опять же приводит к боксованию колесных пар и изнашиванию их бандажей.

Интенсивному абразивному изнашиванию подвержены такие детали челюстных тележек, как наличники букс и челюстей рамы, шарниры рессорного подвешивания и рычажной передачи и др. Трущиеся пары этих соединений не защищены от попадания пыли и песка, поэтому подвод смазки к поверхностям трения в данном случае не всегда оправдан. Пыль и песок, попадающие на смазанные поверхности (особенно в районах Средней Азии), задерживаются на этих поверхностях и вместе с продуктами износа образуют своеобразный абразивный материал, интенсивно истирающий детали соединения.

Допустимая норма износа сопряженных деталей устанавливается исходя из технико-экономических соображений. Срок службы (ресурс) детали до предельного значения износа можно определить по средней скорости износа. Для этого через определенные промежутки времени или через определенный пробег замеряют нзнос детали и строят диаграмму изнашивания в зависимости от времени и пробега. Классический вид диаграммы изнашивания представлен на рис. 228. Она имеет три характерных участка: а — приработочного износа, б — установившегося износа, в — аварийного износа.

Например, если рассматривать эту диаграмму применительно к бандажам колесных пар, можно заметить, что в первоначальный период (при новых бандажах или после обточки) прокат бандажей нарастает интенсивно (участок а). Здесь сказываются более высокие контактные напряжения из-за уменьшенной площади контакта нового бандажа с рельсом, а

Рис. 228. Характер нарастания изнашивания поверхностей трущихся пар в зависимости от наработки также отсутствия «наклепанного» слоя металла бандажа. В процессе эксплуатации вследствие износа профиль бандажа по кругу катания приобретает форму, близкую к профилю головки рельса, при которой площадь контакта увеличивается, а удельная нагрузка уменьшается. Уменьшение удельной нагрузки, а также появление на поверхности бандажа «наклепа» снижает интенсивность износа (участок б).

По достижении определенного проката, когда условия контакта бандажа с рельсом ухудшаются, начинается более интенсивное нарастание изнашивания (участок в).

Следует заметить, что а отдельных случаях, в частности в данном, можно увеличить срок службы детали за счет исключения приработочного износа. Например, обточку бандажей производят с оставлением черновины по кругу катания, сохраняя наклепанный слой металла бандажа.

Интенсивность нарастания износа в зависимости от пробега для таких узлов, как моторно-осевые подшипники, шарнирные соединения рессорного подвешивания и тормозной рычажной передачи, зубчатая передача и др., также подчиняется общей закономерности износа.

Восстановление деталей. Для восстановления изношенных деталей существует много методов. В тепловозо-ремонтном производстве наибольшее распространение получили электродуговая или газовая наплавки, металлизация, электроискровая обработка, обработка давлением, электролитическОе покрытие, а также нанесение на поверхность пленок из полимерных материалов. В отдельных случаях используют метод ремонтных втулок, когда сильно изношенную поверхность валика, шипа или отверстия какой-либо детали обтачивают или растачивают и ставят с натягом втулки, обрабатывая затем их под номинальный размер.

Для восстановления значительного износа деталей используются различные виды электродуговой наплавки: ручная, автоматическая и полуавтоматическая, под слоем флюса, в среде защитных газов, вибродуговая и т. д.

Ручная наплавка малопроизводительна, не дает стабильного качества слоя. Возникающие при наплавке большие термические напряжения деформируют (коробят) деталь. Поэтому там, где возможно, процесс наплавки автоматизируют. При полуавтоматической наплавке автоматизирована только подача электродной проволоки в зону дуги, при автоматической — подача электрода, а также продвижение дуги вдоль накладываемого шва. В результате повышается производительность труда и улучшается качество шва.

Наплавка в среде защитного газа может производиться вручную, автоматически и полуавтоматически. В зону дуги подается защитный газ (аргон или углекислый газ), струя которого, обтекая дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от окислительного воздействия воздуха. В качестве электродов применяют специальные сорта проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния.

Вибродуговая наплавка является разновидностью автоматической и отличается от нее тем, что электрод во время наплавки постоянно вибрирует. Вибрация электрода облегчает зажигание дуги и делает процесс наплавки более устойчивым. В процессе наплавки деталь нагревается незначительно, поэтому деформации ее малы и, следовательно, не нарушается термическая обработка на участках детали вблизи места наплавки. После наплавки не требуется термическая обработка детали, так как в процессе наплавки под действием охлаждающей жидкости происходит закалка наплавленного слоя. Толщину слоя наплавки можно регулировать в пределах от 0,5 до 2 мм на сторону. Для повышения износостойкости наплавленного слоя используют легирующие флюсы Основное преимущество вибродуговой наплавки заключается в возможности надежного наплавления тонких слоев на изношенные места. При значительных износах лучше использовать обычные способы наплавки.

Металлизация дает возможность нанесения слоя металла толщиной от 0,03 до 1,5 мм на любой материал без опасности его перегрева (температура нагрева детали не более 70°С). Процесс металлизации заключается в нанесении воздушной струей на обработанную поверхность мельчайших частиц расплавленной в газовом пламени проволоки. Получается довольно пористое покрытие, иа котором хорошо удерживается смазка и, следовательно, повышается износостойкость. Прочность покрытия с основным металлом невысокая.

Электроискровая (электроэррозионная) обработка осуществляется вибрирующим электродом (анодом), с которого частицы во время электрического разряда в виде короткого мощного импульса переносятся на обрабатываемую деталь (катод) и привариваются к чей. Толщина покрытия в зависимости от тока импульса получается от 0,05 до 0,5 мм. Чем меньше ток, тем чище поверхность покрытия. Способ эффективен для восстановления натягов в прессовых и шпоночных соединениях. Можно использовать для легирования поверхности трення, чтобы затормозить процесс изнашивания.

Восстановление деталей давлением (раздача, осадка, обжатие) основано иа использовании пластических свойств металла. Методом раздачи восстанавливают, например, поршневые пальцы дизелей, а осадкой и обжатием — размеры втулок по наружному и внутреннему диаметрам.

Электролитические покрытия делятся на твердые и мягкие. К твердым относятся хромовые, никелевые, стальные, к мягким — покрытие цинком, медью, оловом, латунью и др. Процесс электролитического покрытия основан на электролизе, т. е. способности металла осаждаться на катоде при прохождении постоянного тока через электролиты. Различают гладкие покрытия и пористые. Гладкие применяют для неподвижных посадок, пористые — для подвижных.

Хромирование и никелирование дает толщину покрытия 0,1-0,3 мм, достаточно твердого и износостойкого. Применяется для восстановления цилиндровых втулок, поршневых колец и др. Осталивание дает возможность получения довольно твердого слоя без термообработки. Толщина наращиваемого слоя 2,5- 4 мм и более. Цинкование применяется для восстановления изношенных посадочных мест подшипников качения при толщине покрытия до 0,5 мм, а также для защитного покрытия крепежных деталей и частей электроаппаратуры. Методом гальванического лужения восстанавливают оловянистое покрытие поршней дизелей 2Д100-1 ОД 100.

Полимерные покрытия широко используются для создания натяга или повышения износостойкости сопряжений. Применяемые в ремонте пластмассы делятся на термореактивные (не плавятся и не растворяются) и термопластические (плавятся). В композициях на основе различных смол они используются для восстановления деталей.

При ремонте применяются также различные клеевые составы БФ2, БФ4. БФ6, представляющие спиртовые растворы термореактивных смол. Наиболее распространен в практике ремонта клей (эластомер) ГЭН-150В — продукт композиции эпоксидной смолы ВДУ с нитрильным каучуком СКН-40. Ои применяется для восстановления натягов при посадке подшипников, муфт, шестерен, корпусов в местах установки подшипников, ступиц колесных центров и т. д. Клей защищает сопрягаемые поверхности от коррозии.

⇐ | Система организации технического обслуживания и ремонта | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Методы и средства повышения надежности и долговечности деталей тепловозов | ⇒

Виды изнашивания и их характеристика

 

При трении возникает процесс изнашивания. Изнашивание, есть процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопле­ния его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном из­менении размеров и (или) формы тела.

Результат изнашивания, определяемый в установленных единицах, называ­ется износом. На основе многочисленных исследований предложен ряд классификаций видов изнашивания.

Наибольшее признание получила классификация, которая ус­танавливает три группы изнашивания:

•механическое,

•молекулярно-механическое и

•коррозионно-механическое, которые, в свою очередь, делятся на определенные виды (Рис. 11).

 

 

Рисунок 11 — Классификация видов изнашивания

Механическое изнашивание — изнашивание в результате механических воз­действий, включает:

Абразивное изнашивание — механическое изнашивание материала в резуль­тате, в основном, режущего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Этот вид изнашивания распространен среди сопряжений машин, работающих в абразивной среде, например, деталей сопряжений ходовой части тракторов, деталей пильного механизма машин и др.

Величина абразивного изнашивания прямо пропорциональна удельному давлению Р (Па), скорости скольжения (м/с) и обратно пропорциональна твердости металла Н

где с — коэффициент пропорциональности.

Гидроабразивное и га­зоабразивное изнашивание являются разновидностью абразивного изнашивания. Гидроабразивное и га­зоабразивное изнашивание, когда изнашивание происходит в результате действия на материал деталей твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Кавитационное изнашивание происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации, т. е. при образовании пузырьков газа, которые захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повыше­ние давления и затем происходит разрыв пузырьков. Это приводит к гидравличе­скому удару, вызывающему разрушение поверхности. Подвержены этому износу корпуса судов.

Эрозионное изнашивание — механическое изнашивание материала в резуль­тате воздействия потока жидкости и (или) газа.

Усталостное изнашивание — механическое изнашивание в результате уста­лостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. В результате этого изнашивания на поверхности появляют-ся трещины и в дальнейшем отделяются частицы материала. Усталостное изна­шивание может происходить при трении качения, скольжения и зависит от свойств материала детали, удельного давления, частоты циклов нагружения. По­степенное увеличение пластической деформации поверхностных слоев приводит » к возникновению больших остаточных напряжений сжатия. Дальнейшая дефор­мация вызывает появление трещин и под действием коррозии и расклинивающего действия смазки, попадающей в трещины, и напряженного состояния происходит отделение частиц материала. На поверхности образуются углубления.

Усталостное изнашивание можно наблюдать в подшипниках качения, зубчатых парах, в парах скольжения.

Изнашивание при заедании — изнашивание в результате схватывания, глу­бинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на дру­гую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Отно­сится к молекулярно-механическому изнашиванию.

Такой вид изнашивания может возникнуть в зубчатых парах, в опорах каче­ния и скольжения при высоких контактных нагрузках и отсутствии смазки.

Коррозионно-механическое изнашивание — изнашивание в результате меха­нического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим воз­действием материала со средой. Оно подразделяется на окислительное и изнаши­вание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание — коррозионно-механическое изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция мате­риала с кислородом или окружающей средой. Этот вид изнашивания характеризу­ется одновременным протеканием двух процессов — пластической деформации микроскопических объемов металла поверхностных слоев деталей и диффузией кислорода в деформируемые слои.

Первоначально окисление происходит в не­больших объемах металла, расположенных у плоскостей скольжения при трении. На трущихся поверхностях деталей образуются твердые растворы кислорода. В последующем окисление захватывает большие объемы поверхностных слоев и образуются химические соединения кислорода с металлом, что приводит к изме­нению их структуры.

Процесс диффузии и пластической деформации усиливают друг друга. Усиление диффузии объясняется тем, что при пластической деформа­ции на поверхностях трения образуется большое количество плоскостей скольже­ния, обеспечивающих проникновение кислорода в металл.

Усиление пластической деформации происходит вследствие наличия на плоскостях скольжения огромного количества двигающихся атомов кислорода, которые увеличивают подвижность структуры поверхностного слоя.

Б. И. Костецкий полагает, что существует три формы окислительного изнашивания.

•при первой форме с поверхности трения удаляются ультрамикроскопические химиче­ские адсорбированные пленки;

•при второй — удаляются микропленки твердых растворов и эвтектик химических соединений кислорода и металла;

•при третьей -происходит периодическое отслаивание крупных слоев химических соединений кислорода и металла.

 

Изнашивание при фреттинг-коррозии — изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. При этом виде изнаши­вания наблюдается схватывание, абразивное изнашивание и усталостно-коррозионное явление.

Этот вид изнашивания характерен для деталей неподвиж­ных соединений, воспринимающих вибрационные нагрузки, таких, как заклепоч­ные соединения, посадочные места в корпусных деталях, работающих при вибра­ционной нагрузке. Фреттинг-коррозия может возникать при сухом трении и в ус­ловиях смазки.

Узнать еще:

В чем разница между типами одежды?

Инженеры, которые создают долговечные компоненты, естественно, обеспокоены износом. Существуют разные типы износа, и некоторые инженеры могут специально вызывать износ по разным причинам. Три типа износа: истирание, адгезия и коррозия. Каждому типу присущи проблемы и преимущества, на которые могут повлиять материалы, смазка и обработка поверхности.

Абразивный

Существует два распространенных типа абразивного истирания: двухчастное и трехчастное.Двухкомпонентное истирание относится к поверхностям, которые скользят друг по другу, где один (твердый) материал вонзается и удаляет часть другого (мягкого) материала. Примером двухчастичного истирания является использование файла для придания формы заготовке. Трехкомпонентное истирание — это когда частицы между двумя поверхностями удаляют материал с одной или обеих поверхностей. Примером этого является акробатический процесс.

Галтовка включает использование частиц для шлифования и полировки поверхности детали. Частицы, вызывающие истирание, часто называют загрязнителями.Загрязняющие вещества — это все, что попадает в систему, вызывающую истирание. Хотя смазка является обязательной, активная система смазки может привести к загрязнению, вызывающему истирание. Фильтры удаляют загрязнения и являются одной из причин важности надлежащего обслуживания и замены фильтров. Однако смазка или содержащиеся в ней добавки могут вступать в реакцию с металлом, создавая тонкий монослой загрязняющих веществ, что также делает правильный выбор смазки важным для уменьшения износа вашего оборудования.

Абразивный износ может иметь преимущества, например, водоструйная очистка. Водоструйная очистка позволяет относительно легко прорезать металл. Это может уменьшить изменения свойств, которые могут произойти с другими процессами, которые выделяют чрезмерное тепло во время резки. (Предоставлено Thinkstock)

Шероховатость поверхности — еще один важный параметр износа. Двухкомпонентное истирание уменьшается за счет более гладкой шероховатости поверхности. Например, подшипник скольжения или подшипник скольжения, сделанный из более мягкого материала, будет скользить по более твердому приводному валу с минимальным истиранием или без него из-за отделки поверхности.Обычно не рекомендуется использовать материалы с аналогичной твердостью. Причина использования более мягкого материала подшипников заключается в дальнейшем уменьшении износа. Загрязнения могут проникать в более мягкие материалы и препятствовать трёхчастному истиранию. Этот метод может привести к повреждению подшипника, но он предпочтителен, поскольку его замена относительно проста и более экономична, чем замена приводного вала. Более грубые поверхности могут увеличить коэффициент трения, а микровыступы могут отламываться, что способствует образованию загрязнений, связанных с истиранием.

Адгезия

Шероховатость поверхности также способствует адгезии. Для этого типа износа важна совместимость материала. Совместимость не означает, что материалы, которые хорошо сочетаются друг с другом; скорее, материалы «похожи» друг на друга, заставляя их слипаться. Эта совместимость образует связь, вызывающую заедание деталей и даже их сварку в холодном состоянии. При выборе материала необходимо соблюдать несколько общих правил, чтобы избежать нежелательного адгезионного износа.Материалы, которые соприкасаются друг с другом, как правило, должны:

• Не растворяется в другом

• В данной среде и других условиях не образует сплав

• Не быть идентичными (например, алюминиевый вал с алюминиевым подшипником)

• Имейте хотя бы один металл из подгруппы B (например, элементы справа от никеля, палладия и платины в периодической таблице).

Адгезию можно рассчитать. Для расчета адгезии и абразивного износа используется одна и та же формула; однако он может варьироваться в пределах +/- 20%.Эта неточность связана с постоянным изменением состояния поверхности и смазки во время работы. Это может быть лучше, чем отсутствие данных, но дизайнеры должны знать об ограничениях и точности формулы. Попытка рассчитать или спрогнозировать износ затрудняется, если компоненты имеют несоответствующую геометрию, например, когда задействованы зубья шестерни и кулачки. Эти компоненты могут иметь проблемы с смазкой должным образом. Для уменьшения адгезионного износа иногда преднамеренно вызывается коррозионный износ.

Коррозийный

Можно добавить хлориды, фосфаты или сульфиды, чтобы вызвать коррозию и уменьшить более разрушительный адгезионный износ.Коррозионный износ чаще считают чем-то, что нужно предотвратить. Ржавчина или окисление — это форма коррозионного износа №1. Смазка, выбор материала, обработка поверхности, включая покрытия — например, при абразивном и адгезионном износе — являются основными факторами, которые следует учитывать.

Большинство представленных материалов — это совместимые металлы, которые были бы плохим выбором для приложений, где происходит контакт. Эта диаграмма воссоздана из учебника Роберта Л. Нортона «Проектирование машин».

Благородные материалы не вызывают коррозии.Золото специально используется в электронике в качестве покрытия из-за его способности противостоять коррозии. Благородные материалы часто используются экономно или с минимальными отходами из-за их стоимости. Остальные материалы самоанодируются. Алюминий известен тем, что реагирует с кислородом с образованием слоя оксида алюминия, который предотвращает окисление.

Железо и черные металлы не только склонны к ржавчине, но и отслаиваются, обнажая другой слой, позволяя окислению продолжить процесс разложения. В случае самоанодирующихся материалов небольшие потертости или даже напряжения могут вызвать распространение трещин или отслоение оксида алюминия, что приведет к продолжению коррозионного износа.

Напряжение влияет на коррозионный износ. Коррозия под напряжением и коррозионная усталость значительно ускоряют коррозионный износ. Разница между этими типами — ситуация с загрузкой. Статические нагрузки вызывают коррозию под напряжением, тогда как более динамические нагрузки, такие как циклические нагрузки, вызывают коррозионную усталость.

Износ

Износ

Различные виды износа

Носить определение потери материала с поверхности.В зависимости от степени износа по виду его можно разделить на три основные группы: эрозионные, абразивные и скольжение и износ качения. Ниже каждой основной группы есть подгруппы. Обычно более одного механизма износа происходит одновременно с один из них более доминирующий. Ношение механизм в большинстве случаев делится на три фазы: ухудшение, потеря материалов и транспортировки остаточных продуктов. Во время ухудшения состояния фазе старение материала на поврежденных поверхностях.Во время потери материала фазы частицы удаляются с помощью одного из механизмов износа. В последняя фаза частицы уносятся, но также могут оставаться, зажат между двумя поверхностями.

Эрозионный износ

Эрозионный износ или эрозия происходит, когда поток частиц или капель жидкости попадает в поверхность. Обычно требуется несколько ударов, прежде чем потеря материала место.Когда частицы ударяются о поверхность хрупких материалов, потери составляют место как хрупкий излом. Потеря материала на пластичных материалах составляет место как сочетание стружкообразования, усталости и разрушения при сдвиге. Эрозия с частицами, переносимыми водой, называется эрозией навозной жижи и является обычным износом корпуса в насосах, а также кавитационная эрозия, вызванная взрывом пузырьки водяного пара.

Кавитационная эрозия. Низкий давление образует в жидкости полости (пузыри).Когда полости взрываются близко к границе, образуется двойной вихрь, и мощная струя между двумя вихрями повреждает материал.

Абразивный износ

Когда износ вызвано твердыми частицами или острыми наконечниками на поверхности, износ называется абразивный. В этом случае в потере материала преобладает стружкообразование, хрупкий перелом или усталость. Абразивные (бороздчатые) частицы могут быть песком, стружки из материала, которые стали твердыми в результате деформационного упрочнения или окислением.Если острый наконечник с одной поверхности проткнет канавку в остальная поверхность называется двухкомпонентной абразивной обработкой. Если это частица между двумя поверхностями, вызывающими износ, он обозначен как трехкомпонентный истирание.

Двухкомпонентная абразивная обработка.

Трехкомпонентное истирание.

Износ скольжения и качения

Раздвижные и Износ при качении между двумя поверхностями может заканчиваться большим количеством поверхностей повреждать.Наиболее распространенными механизмами потери материала являются сдвиг и усталостное разрушение, часто происходящее в результате окисления или механического износа. Одним из примеров механизма износа является адгезионный износ, когда концы двух поверхностей скользящие друг относительно друга свариваются, а затем разрываются. Носить из-за усталости, когда небольшие фрагменты теряются после многократных периодов контакт качения, например, в роликовых подшипниках, является еще одним примером этого типа износа. механизм.

Адгезионный износ.

Износ в насосах

Продукция Grindex подвержены большинству видов износа. Такие детали, как рабочие колеса, всасывающие крышки и т. д., которые контактируют с перекачиваемым жидкости в первую очередь подвержены эрозийному износу. Подходящие материалы для хорошего износа сопротивление для этих частей — твердые металлы, такие как легированный хромом и закаленный литой железо или мягкие материалы, такие как нитрильный каучук.

Эрозия коррозия, которая определяется как сочетание эрозионного износа и коррозия в некоторых случаях может привести к износу за короткий период времени на насосы из чугуна. Лучше всего противодействовать этому, используя более жесткий или более устойчивый к коррозии материал.

Когда материал в торцевых уплотнениях Grindex вращается относительно друг друга, на которые они абразивный износ, но также и при высоких температурах, поэтому они изготовлены из твердых и жаропрочные материалы, такие как оксид алюминия, карбид кремния или карбид вольфрама.

Износ рабочего колеса в шахте.

Как предотвратить износ

Износ можно предотвратить разными способами. В наиболее распространенными методами являются использование износостойких материалов или простая замена свойства материала, например путем отверждения. Износ можно также предотвратить с помощью держать поверхности отдельно друг от друга.Масло и смазка обычно используются для этой цели.

Третий метод — проектирование с уменьшенным носить. Например, трубе можно придать большой диаметр, что уменьшает скорость воды и насос могут быть спроектированы так, чтобы избежать захвата частицы и уменьшают износ.

Инновация Grindex в виде новой запатентованной крышки всасывания снижает износ.

Пределы примеси абразива материалы

Для более высокого содержания абразивных материалов шламовый насос со всеми гидравлическими частями, изготовленными из легированного хромом чугуна или покрытых резина является предпочтительной.

Шахтные и строительные насосы имеют нет конкретного ограничения на то, сколько частиц износа они могут обработать. Низкий поток и крупные частицы увеличивают эрозию изнашиваемых деталей. Поэтому работу всухую следует уменьшить или по возможности избегать.

Твердость металлов и минералов

Золотое правило износа металлов: если частицы износа более мягкие, чем части износа, износ низкий.Примером могут служить насосы Grindex для горнодобывающей промышленности и строительства, которые имеют рабочие колеса из легированного хромом чугуна, содержащие карбиды с более высокая твердость, чем песок и гравий, с которыми обычно работают насосы.

Для мягких материалов, таких как резина, правило почти наоборот. Более мягкая резина более износостойкая, чем более жесткая. а твердость абразива почти не влияет.

В некоторых металлах возможен эффект, называемый наклепом.В явления зависят от того факта, что структура в металлах иногда нестабильный. При сильном износе часть конструкции трансформируется в затвердевшее состояние и повышается износостойкость. Типичные стали здесь Марганцовистая сталь, например, стали Гадфилда.

Ниже приводится сравнение твердости для различные материалы и некоторые конструкции из стали. Шкала Мооса нелинейный и основан на том принципе, что минералы могут поцарапать каждый Другие.Минералы с большим количеством всегда могут поцарапать материалы с меньшее число.

Твердость некоторых металлов, полимеров и минералов.

Что такое износ? — Причины и типы

Какими бы разными ни были причины износа, столь же разнообразны его типы. В этом сообщении в блоге вы узнаете все, что вам нужно знать об износе в промышленности.

---

Каждый наверняка слышал об износе, но что именно стоит за этим термином? Чтобы разобраться в истощении, нам нужно сделать небольшой экскурс в физику.

Что такое износ?

Строго говоря, износ — это механическое истирание. Это означает, что всякий раз, когда два материала сталкиваются и трутся друг о друга, происходит механическое истирание. Этот вид истирания всегда приводит к потере веса, потому что трение постоянно удаляет материал с поверхности объекта. Типичный пример такого процесса — торможение. Износ — это причина, по которой нам время от времени приходится заменять тормозные колодки на наших автомобилях. Из-за трения при нажатии на педаль тормоза два металла трутся друг о друга, и тормозная колодка теряет материал — она ​​изнашивается.

Что такое износостойкость?

Износостойкость показывает, насколько металл устойчив к этому процессу. Чем более износостойким является металл, тем менее быстро он теряет материал с поверхности — даже при трении с другим металлом. Есть несколько способов повысить износостойкость металла. С одной стороны, в некоторых машинах можно установить так называемую изнашиваемую деталь. Его легко заменить, и его не слишком дорого купить. Это предотвращает поломку всей машины и приводит к сокращению времени, но более частому техническому обслуживанию.С другой стороны, металлы также могут быть закалены или иметь специальное покрытие, чтобы свести к минимуму механическое истирание. Другой возможностью является использование смазочных материалов, которые уменьшают трение и, следовательно, износ соответствующих металлов.

Различные виды износа

Нормальный износ

Каждый объект подвержен естественному износу, потому что трение вызывает естественный износ любого материала. Возьмем, к примеру, подошву вашей обуви. Со временем они изнашиваются из-за трения об асфальт и приходится покупать новую обувь.То же самое происходит везде, где два материала соприкасаются друг с другом, и это неизбежно. Можно выделить еще два типа износа.

Фреттинг

Термин истирание относится к особому типу повреждений от износа. Этот вид износа всегда происходит между двумя материалами в точке их контакта или контактной поверхности. Со временем качество поверхностного слоя в этом месте или поверхности ухудшается — он становится шероховатым и могут возникать микротрещины. Затем эти микротрещины могут распространяться дальше в материале и приводить к трещинам.Как и при обычном износе, истирание происходит последовательно с течением времени, а не сразу.

Задиры и выемки

Как и трение, истирание также является распространенной формой износа. Истирание происходит при скользящем контакте двух металлов. Две поверхности становятся взаимосвязанными из-за их кристаллической структуры. Под действием растягивающего усилия могут возникать деформации поверхности, которые мы воспринимаем как царапины. Заедание можно предотвратить, используя достаточное количество смазки. Некоторые сплавы, такие как латунь или бронза, также более устойчивы к истиранию.В отличие от фреттинга, это повреждение от износа может возникнуть немедленно, а не только со временем.

Причины износа

Основными причинами износа являются первые механические ограничения, такие как истирание или эрозия, и вторые химические реакции, ослабляющие материал, такие как коррозия. Но на то, насколько быстро изнашивается, влияют и другие факторы. Тип материала двух объектов, его форма и поверхность влияют на износ так же сильно, как наличие или отсутствие промежуточной среды, такой как смазка.Другой фактор, влияющий на износ, — это тип движения — качение, скольжение или толкание. Кроме того, на износ могут влиять окружающая атмосфера и температура.

Если вы хотите глубже изучить различные области применения алюминиевой бронзы, загрузите нашу техническую документацию «Преимущества алюминиевой бронзы в агрессивных средах».

---

Различные виды промышленного износа

Если вы работаете с промышленным оборудованием или, по крайней мере, руководите или нанимаете людей, которые работают с ним вместо вас, то вы, несомненно, знаете о многих проблемах износа, с которыми приходится сталкиваться промышленным компаниям.

Независимо от того, использует ли ваш бизнес ремни с регулируемой скоростью, мотор-редукторы, редукторы с параллельными валами или любое другое промышленное оборудование, вы, несомненно, уже столкнулись со многими возникающими проблемами. Однако, даже если ваши мотор-редукторы до сих пор работали безупречно, стоит заранее знать обо всех потенциальных проблемах, которые могут повлиять на различные виды промышленного оборудования.

Это правда, что большинство типов промышленного оборудования будет сталкиваться с несколькими видами факторов износа, часто с несколькими факторами одновременно, и это влияет на бизнес из-за того, что оборудование требует значительных простоев для ремонта.Во многих случаях, например, с менее износостойкими деталями, такими как ремни с регулируемой скоростью, простои вызваны тем, что детали нуждаются в полной замене. Итак, ниже мы перечислили семь основных причин промышленного износа, знание которых поможет вашему бизнесу быть в курсе любых проблем, возникающих с вашим оборудованием.

Трение

Износ вследствие трения и задира возникает из-за энергии, создаваемой постоянным движением между двумя соседними поверхностями. Обычно это проявляется в виде линейных канавок, создаваемых возвратно-поступательным контактом, и, хотя это одна из наименее разрушительных причин в этом списке, она все же может вызвать значительные повреждения, если ее не остановить.

Тепло

Износ, вызванный высокими температурами, обычно проявляется в размягчении любых металлических деталей. Вы также можете обнаружить ухудшение свойств материала, которое усугубляет другие виды износа, такие как истирание или эрозия.

Истирание

Абразивный износ может произойти, когда любая движущаяся поверхность соприкасается с другой поверхностью. Это становится серьезной проблемой, когда более твердый и крупный материал контактирует с более мягким материалом, хотя истирание может происходить и с двумя одинаково твердыми поверхностями.

Эрозия

Эрозионный износ происходит, когда более мелкие частицы вдавливаются на гораздо большую поверхность и постепенно удаляют крошечные фрагменты более крупного материала поверхности из-за непрерывного импульсного эффекта.

Кавитация

Кавитация — это быстрое образование и последующее схлопывание небольших карманов пара или воздуха в текущей жидкости в областях с очень низким давлением. Кавитация — частая причина структурных повреждений оборудования, такого как гребные винты и насосы.

Урон от удара

Ударный износ возникает, когда одна твердая поверхность многократно ударяется о вторую твердую поверхность. Это приведет к постепенной деградации материала, даже если задействованные детали спроектированы так, чтобы выдерживать такие удары.

Коррозия

Коррозионный износ может быть одним из самых опасных видов и вызван разрушением поверхности материала из-за неблагоприятной реакции с чем-то посторонним в окружающей среде, например, утечкой химикатов или даже воды.

Если износ уже повредил детали вашей машины, такие как редукторы с параллельными валами, мотор-редукторы или ремни с регулируемой скоростью, обратитесь в YB Components, которая может доставить эти детали по всему миру.

Основные виды износа | Покрытие металлов

Материал и метод, выбранные для конкретного случая наплавки, зависят от типа износа, который может возникнуть при эксплуатации.

К различным типам износа относятся удары, истирание, эрозия, коррозия, окисление, кавитация, сжатие, металлический износ или истирание, а также термический удар:

1.Ударный износ вызывается ударами одного предмета о другой. Таким образом, ударная вязкость — это мера энергии в джоулях, которую кусок металла может поглотить без разрушения при данной температуре. Ударопрочность — это мера силы, необходимой для образования трещин на сварной поверхности. Это изнашивание типа ударов или ударов, которое может привести к разрывам, расколам или деформации поверхности, обычно вызываемым ударами одной твердой металлической поверхности о другую твердую поверхность, как в случае работы ковша лопаты.

2. Истирание — это износ, вызванный трением или шлифованием, как в случае износа наждачной бумаги. Обычно это происходит из-за трения твердого материала о более мягкий. Размывающее действие песка, гравия, шлака, земли и других подобных песчанистых материалов является причиной истирания в желобе для гравия или внутри шаровой мельницы на цементном заводе. Кварцевый песок — конкретный пример абразивного материала. Горнодобывающая и строительная техника, как и многие виды сельскохозяйственной техники, нуждаются в стойкости к истиранию.Аустенитные стали с высоким содержанием марганца обладают превосходной стойкостью к истиранию.

3. Эрозия — это износ, вызываемый абразивным действием воды, обычно с частицами песка, как в случае с шахтной водой. Он имеет как химические, так и механические аспекты. Эрозия также вызывается паром и суспензиями, несущими абразивные частицы. Детали насоса часто могут подвергаться такому износу.

4. Коррозионный износ вызывается химическим воздействием, приводящим к постепенному разъеданию поверхности при контакте с реагентом, таким как кислота, щелочи, коррозионные газы, и широко встречается на химических предприятиях, бумажных фабриках и нефтеперерабатывающих заводах.

5. Окисление — это химическая реакция, приводящая к отслаиванию или крошению металлических поверхностей, подверженных воздействию влажной атмосферы при высоких температурах. Определенные отложения металла шва, содержащие молибден, очень быстро окисляются при высоких температурах на воздухе. Части печи, находящиеся на воздухе, склонны к окислению с повышенной скоростью.

6. Кавитационный или точечный износ возникает в результате удара турбулентного потока жидкости, содержащей абразивные частицы, о металлическую поверхность, как в случае лопаток гидравлических турбин.

7. Износ при сжатии вызывается деформацией металлических деталей из-за сильных статических нагрузок или медленного увеличения давления.

8. Износ металл по металлу представляет собой износ заедающего и истирающего типа, при котором части пораженных металлических поверхностей разрываются и разрываются на части. Это может быть вызвано чрезмерным выделением тепла из-за отсутствия смазки или из-за меньшего, чем желаемый, зазора между деталями одинаковой твердости, например, в салазках станков, подшипниках и клапанах в поршневых двигателях.

9. Термический шок, вызванный быстрым нагревом и охлаждением, например, при термообработке, может привести к растрескиванию или расколу пораженных поверхностей.

Вышеупомянутые типы износа могут возникать по отдельности или в сочетании. Поэтому очень важно защитить компонент от таких происшествий, насколько это возможно. Однако, даже если такой износ произошел, компонент может быть восстановлен с помощью того или иного метода наплавки.

Механизм износа и износа

Механизм износа и износа

Автор: К.X. Ли, Бирмингемский университет, Великобритания

Что такое износ?

Износ — это прогрессирующая потеря материалов из контактирующих поверхностей относительно при движении.

Наряду с усталостью и коррозией , износ был известен как один из трех основных факторов, ограничивающих срок службы и производительность инженерного компонента и инженерной системы, независимо от того, велика ли система, как тяжелая машина, или такая маленькая. как крошечное электронное устройство.

Повреждения от износа двойные.

— Во-первых, , потеря материалов с контактирующей поверхности уменьшает размер компонента. Это часто приводит к увеличению зазора между движущимися частями и, как следствие, к высокой вибрации, высокому шуму, снижению эффективности и сбоям в работе системы. Если задействована динамическая нагрузка, уменьшенный размер компонента может способствовать усталостному разрушению, что приведет к катастрофическому отказу.

— Во-вторых, , материал, отделившийся от изношенной поверхности, известный как частицы износа, также вреден.Это может вызвать загрязнение, например, когда машина для обработки пищевых продуктов или напитков имеет проблемы с износом. Он может действовать как абразив, когда попадает внутрь контактирующей поверхности, вызывая дальнейшее увеличение скорости износа. Он также может блокировать клапан, критический трубопровод, масляный фильтр или накапливаться в точке электрического контакта, препятствуя нормальному функционированию системы. Стоимость износа огромна, и поэтому с самого начала индустрии прилагались огромные усилия с целью уменьшения или устранения износа.

Вопрос:

— Размышляя о том, что произойдет, если поршневые кольца в автомобильном двигателе изношены.

Классификация износа

В промышленности и в повседневной жизни существуют различные формы износа. Для классификации процесса износа можно использовать разные методы. Например, износ можно разделить на

— износ со смазкой и износ без масла ;

— сильный износ и умеренный износ ;

— износ скольжения , контакт качения износ и ударный износ .

Однако весь процесс износа включает один или комбинацию механизмов износа, включая истирание , , сцепление , , усталость , и окисление , или другие трибохимические воздействия .

Чтобы решить проблему износа, необходимо понимать основной механизм износа. В следующем разделе мы познакомим вас с двумя наиболее часто встречающимися в промышленности механизмами износа: истиранием и адгезией.Также будет рассмотрен вопрос окислительного износа, поскольку это легкая форма износа. Если износа вообще невозможно избежать, изменение его характера с истирания или адгезии на окисление (например, путем обработки поверхности контактирующих деталей) может значительно снизить скорость износа. В основном мы будем обсуждать износ металлических материалов, хотя все твердые материалы, например металл, керамика, полимер могут пострадать от износа.

Абразивный износ

Что такое абразивный износ?

Абразивный износ (износ за счет истирания) — наиболее часто встречающийся механизм износа в промышленности.Существует два типа ситуаций, при которых может возникнуть абразивный износ.

— Первый называется трёхкомпонентным абразивным износом , который включает инородные твердые частицы, либо захваченные между двумя скользящими поверхностями и истирающие одну или обе поверхности, либо внедренные в более мягкую поверхность и истирающие противоположную. Примеры истирания трех тел легко можно найти в горнодобывающей промышленности и в машинах, работающих в пустыне.

а) б)

Рис.1: а) истирание трех тел и б) истирания двух тел

— Второй тип абразивного износа называется двухкомпонентное истирание , которое возникает при контакте металла с металлом, когда выступы (неровности) на твердой поверхности вспахивают или прорезают другую поверхность. Поскольку неровности существуют на любой инженерной поверхности, и их невозможно устранить даже очень сложной полировкой, то всегда будет существовать возможность двухчастичного истирания. Часто двухчастичное и трехчастное истирание комбинируют в процессе эксплуатации, поскольку применение, которое изначально было металлическим по отношению к металлу (двухчастичное), может перерасти в трехчастичное истирание, такое как образование упрочненных износных частиц или введение абразивных частиц. из-за загрязненной смазки.

Рис. 2: Стальная поверхность, изношенная в результате истирания

Механизм абразивного износа

Механизм удаления материала при абразивном износе в основном такой же, как механическая обработка и шлифование в процессе производства.

В начале износа твердые неровности или частицы проникают в более мягкую поверхность под нормальным контактным давлением. Когда применяется тангенциальное движение, материалы с более мягкой поверхности удаляются за счет комбинированных эффектов «микропахоты», «микротрещин» и «микротрещин».В результате на изношенной поверхности обычно наблюдаются канавки и царапины, как показано на рисунке 2. Осколки износа часто имеют форму микротрещин.

Прогноз скорости абразивного износа

Было предложено несколько моделей для прогнозирования потери объема при абразивном износе. Самый простой — это царапание материалов твердой частицей конической формы (индентором). Под действием приложенной нагрузки P твердая частица проникает в поверхность материала на глубину h, которая линейно пропорциональна приложенной нагрузке (P) и обратно пропорциональна твердости (H) истираемой поверхности.Когда происходит скольжение, частица будет вспахивать (резать) поверхность, образуя канавку, при этом материал, первоначально находившийся в канавке, удаляется как остатки износа. Если расстояние скольжения равно L, объем износа (V) можно выразить как:

(1)

В котором k — коэффициент износа, частично отражающий влияние геометрии и свойств частиц (или неровностей) и частично отражающий влияние многих других факторов, таких как скорость скольжения и условия смазки.

Как повысить стойкость к абразивному износу?

Уравнение показывает, что потери от износа могут быть уменьшены на

.

— уменьшающаяся контактная нагрузка,

— уменьшение расстояния скольжения,

— уменьшение значения k за счет устранения присутствия твердых частиц и уменьшения шероховатости поверхности контртела.

Однако на практике эти изменения часто невозможны, если необходимо сохранить работоспособность машины.Тогда повышение твердости (H) за счет выбора материала, термообработки и обработки поверхности будет наиболее эффективным и относительно простым способом решения проблемы абразивного износа.

Адгезионный износ (Износ за счет прилипания)

Инженерная поверхность никогда не бывает идеально ровной. На поверхности самого полированного инженерного компонента видны неровности или неровности. Когда две такие поверхности соприкасаются, реальный контакт фактически происходит только на некоторых высоких неровностях, которые составляют небольшую часть, например.грамм. 1/100 видимой площади контакта. В результате произойдет пластическая деформация и интерметаллическая адгезия, образуя холодные сварные стыки между контактирующими неровностями. Прочность соединения определяется структурой поверхности и взаимной растворимостью двух контактных металлов. Тенденция к адгезии самая низкая для пары металлов с почти нулевой взаимной растворимостью, но она ограничена очень небольшим количеством металлов. Большинство металлических материалов демонстрируют заметную тенденцию к адгезии.

Рис.3 Адгезионный износ происходит при переносе материала

Когда две контактные поверхности подвергаются относительному перемещению, разрыв должен происходить либо на стыке (холодного шва), либо внутри исходных материалов, в зависимости от того, какой из них слабее. Если прочность адгезионного соединения относительно низкая, как в случае контактных пар с низкой взаимной растворимостью или металлических поверхностей, разделенных оксидной пленкой, в месте соединения будет иметь место разрыв, и потери материала во время износа будут минимальными.Однако, когда разрыв происходит внутри более мягкого материала, фрагмент более мягкого материала будет отодвигаться и прилипать к более твердому телу, как схематически показано на рис. 3. Этот процесс известен как перенос материала.

Перенесенный фрагмент пластически деформируется при продолжающемся действии скольжения, поэтому перенесенный материал часто имеет пластинчатую морфологию. Перенос нескольких материалов и пластическая деформация перенесенного материала приводят к слоистой морфологии поверхности контртела, как показано на рис.4. Следующим этапом является отрыв перенесенного слоя, вероятно, когда связь между слоем и нижележащим материалом была локально ослаблена циклической нагрузкой.

Рис.4 Перенесенные слои титанового сплава на стальную поверхность

Прогноз скорости износа

В адгезивном износе преобладает перенос материала и удаление перенесенного материала. Первое определяется свойствами материала и прочностью адгезионного соединения, а второе — условиями скольжения.Арчард предположил, что скорость адгезионного износа W может быть выражена следующим уравнением

(2)

— P — приложенная нормальная нагрузка,

— H — твердость более мягкого материала двух контактных тел,

— K называется коэффициентом износа.

K связано с возможностью образования частиц износа от каждого контакта. K был бы выше, если бы два контактирующих материала имели более высокую взаимную растворимость. K также будет выше, когда износ происходит в вакууме или в инертной атмосфере, так что адгезионный износ является одной из основных проблем при контакте компонентов, например.грамм. пеленг в космическом корабле или спутнике.

Как улучшить адгезионную износостойкость?

— Улучшение механических свойств (твердости и прочности) контактирующего материала, поскольку в адгезионных соединениях более вероятно возникновение разрыва.

— Выбор материала или изменение химической природы поверхностей, например за счет инженерии поверхности существенно снижает возможности адгезии и снижает скорость адгезионного износа.

Специализированный процесс обработки поверхности повысит твердость контактирующей поверхности и уменьшит возможность адгезии между контактирующими поверхностями, поэтому инженерия поверхности является наиболее эффективным способом повышения адгезионной износостойкости.

Окислительный износ

Поверхность металла обычно покрыта слоем оксида, который может предотвратить контакт металла с металлом, тем самым предотвращая образование адгезии и снижая тенденцию к адгезионному износу. В этой связи оксид является благоприятным фактором снижения скорости износа металлических материалов. Однако возможность реализации такого полезного эффекта сильно зависит от свойств материала и условий контакта.

Когда твердость металла под оксидным слоем низкая или когда контактная нагрузка относительно выше, металл под оксидным слоем будет пластически деформироваться, и неровности на твердой поверхности будут проникать через тонкий оксидный слой, что приведет к нормальный контакт металла с металлом.В таком случае износ за счет истирания или адгезии будет происходить в зависимости от механических свойств и химических свойств контактирующих металлов. Благоприятный эффект оксида минимален, а скорость износа обычно высока.

С другой стороны, когда нижележащий металл достаточно твердый, чтобы поддерживать оксидную пленку, например, на твердой поверхности, спроектированной на поверхности, происходит процесс, известный как окислительный износ.

Механизм окислительного износа схематически показан на рис.5. В начале процесса износа исходная оксидная пленка на поверхности металла удалялась, когда твердые неровности натирали верхнюю точку оксидного слоя, оставляя нижележащий металл непокрытым. Свежий металл быстро вступит в реакцию с кислородом воздуха, образуя свежий оксидный слой, который затем снова будет соскребаться неровностями в следующем цикле. Такой цикл «окисление-царапание» или «химико-механический» цикл повторяется в процессе окислительного износа, образуя частицы износа в виде мелкодисперсного оксида.Изношенная поверхность гладкая и часто покрыта слоем или пятнами оксида, которые иногда можно увидеть визуально. У стали изношенная поверхность становится темно-коричневой (цвет оксида железа). Морфология поверхности, изношенной в результате окислительного износа, показана на рис. 6.

Рис.5 Схема процесса окислительного износа

Рис. 6: Кобальтовый сплав с поверхностной обработкой, изношенный изделиями окисления

Следует отметить, что во время скольжения высокая температура поверхности, вызванная нагревом трением, и пониженная энергия активации образования оксида, вызванная пластической деформацией, могут увеличить скорость окисления.Таким образом, может быть достигнуто быстрое окисление, и оксидный слой может стать толще во время скольжения, чем в статических условиях. Это обеспечивает быстрое покрытие свежего металла новым слоем оксида после того, как первоначальная оксидная пленка стерлась.

Окислительный износ не произойдет в вакууме или в инертной атмосфере, так как повторное окисление невозможно.

Окислительный износ — это легкая форма износа. Когда преобладающий механизм износа меняется с абразивного или адгезионного на окислительный, скорость износа может снизиться на несколько порядков.

Вопросы:

— Подумайте, какое свойство материала наиболее важно при определении износостойкости компонента.

— На практике используются разные методы повышения износостойкости, вы можете назвать некоторые? Насколько вы считаете, какой метод наиболее эффективен?

Типы износа машин — балансир XYO

Износ может быть вызван относительным движением между двумя поверхностями, которые находятся в тесном контакте, вызывая деформацию или удаление материала; это называется механическим износом.Износ также может быть вызван другими источниками, такими как агрессивные или химически активные химические вещества или кавитация.

Анализ частиц износа — хороший метод определения типа износа и возможных источников частиц износа, например шестерни, шкивы, подшипники и др.

Ниже мы исследуем различные типы износа, который может возникнуть в машинах:

Абразивный износ Абразивный износ вызывается контактом твердых частиц с компонентами машины во время работы. Поскольку эти частицы могут быть тверже, чем поверхности, с которыми они соприкасаются, они приводят к повреждению и деформации.

Абразивные частицы обычно возникают в результате попадания грязи в машину. Правильная фильтрация смазочных материалов и проверка вентиляционных отверстий и уплотнений могут помочь предотвратить попадание таких частиц в машину и их износ.

Износ при резке Этот тип износа обычно возникает, когда твердые и абразивные частицы внедряются в более мягкий материал. Во время работы машины обычные системные силы и взаимодействия приводят к вырезанию длинных и узких полос из более мягкого материала.Частицы износа при резке можно определить по их удлиненному соотношению сторон (их длина к ширине), и это всегда указывает на аномальный износ, происходящий внутри станка.

Адгезивный износ Эта форма износа обычно вызвана недостаточной или неправильной смазкой в ​​системе. Силы трения и сцепления могут вызвать смещение материалов с поверхности. В некоторых случаях недостаточная смазка также может привести к уносу воздуха или газа между поверхностями и кавитации, которая вызывает точечную коррозию и растрескивание поверхностей.Использование смазки соответствующей вязкости может помочь предотвратить адгезионный износ.

Скольжение Износ из-за скольжения возникает, когда система находится под нагрузкой из-за чрезмерной нагрузки или превышения нормальной рабочей скорости. Это приводит к перегреву, который может ухудшить смазку и привести к контакту металла с металлом; скольжение между поверхностями приводит к повреждению. Эта форма износа также может быть вызвана контактом неподвижной поверхности с движущимся элементом.

Усталость Усталость возникает, когда поверхности компонентов начинают трескаться из-за напряжения.Это может быть вызвано чрезмерными нагрузками на поверхность. Нагревание также может вызвать усталость, если смазочный материал разложился и не может нормально функционировать. Усталостный износ может привести к отрыву материала от поверхности, что может привести к износу в других частях машины.

Коррозия Коррозия может быть вызвана химическими реакциями, которые удаляют материал с поверхности компонентов. Одной из причин этого является окисление из-за кислых условий. Неожиданные электрические токи также могут привести к повреждению в результате сварки или точечной коррозии поверхностей деталей и компонентов.Другие причины включают присутствие воды или тепла и горения рядом с материалами.

Правильное обслуживание и мониторинг машины могут помочь предотвратить перечисленные выше типы износа; по крайней мере, это позволяет вам заметить любой ненормальный износ до того, как машина будет серьезно повреждена.